單巷長(zhǎng)距離綜掘工作面供電系統(tǒng)布置優(yōu)化研究

馮世旭

（汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

引言

當(dāng)前隨著我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)的不斷向前發(fā)展，煤礦井下掘進(jìn)供電電壓由20 世紀(jì)60 年代初的380 V 提升到660 V，并且各種大功率機(jī)電設(shè)備在煤礦綜采工作面中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)巷道掘進(jìn)工作也不斷朝著大斷面長(zhǎng)距離的目標(biāo)發(fā)展，有效提高煤礦資源的開(kāi)采工作效率。現(xiàn)階段，在我國(guó)一些單向長(zhǎng)距離綜掘工作面中，660 V 的供電電壓也無(wú)法滿足掘進(jìn)工作的供電工作要求，因此仍然需要對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)展開(kāi)進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

1 單向長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面供電問(wèn)題分析

有效結(jié)合我國(guó)某煤礦開(kāi)采工作面中的供電系統(tǒng)布置工作，由地面的35 kV 變電站將10 kV 雙回路變電站向本段單向長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面進(jìn)行供電，通過(guò)1 區(qū)和2 區(qū)變電所將10 kV 配電輸送到各個(gè)采掘工作面中，然后通過(guò)采掘工作面配電系統(tǒng)控制，將10 kV 變電站對(duì)應(yīng)的電壓等級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步控制，為整個(gè)機(jī)械生產(chǎn)工作提供重要的地理資源。掘進(jìn)工作面配電點(diǎn)通常設(shè)置在巷道的掘進(jìn)口位置，同時(shí)使用大量的風(fēng)機(jī)機(jī)組，機(jī)組移變、動(dòng)力移變及風(fēng)機(jī)移變等相關(guān)設(shè)備，專用風(fēng)電機(jī)組使用特定的高壓線路進(jìn)行供電，備用風(fēng)電機(jī)組移變和動(dòng)力機(jī)組移變使用同一條高壓供電線路進(jìn)行供電。隨著巷道掘進(jìn)深度達(dá)到1 km 的條件，需要增加額外的配電室設(shè)置基礎(chǔ)和動(dòng)力移變各一臺(tái)，通過(guò)使用高壓電纜對(duì)其進(jìn)行供電工作。在無(wú)功補(bǔ)償裝置和軟啟動(dòng)器設(shè)備使用工作之前，需要對(duì)供電電壓大小進(jìn)行有效控制，在無(wú)功補(bǔ)償裝置和軟啟動(dòng)裝置正式開(kāi)啟之后，需要對(duì)兩臺(tái)設(shè)備的巷道掘進(jìn)速率進(jìn)行有效控制，進(jìn)一步解決線路末端產(chǎn)生的電壓下降問(wèn)題，全面提高供電功率因素，同時(shí)進(jìn)一步控制大功率電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的電網(wǎng)沖擊與影響，進(jìn)一步延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期，同時(shí)省略單向長(zhǎng)距離綜采工作面當(dāng)中的高壓配電設(shè)施，有效減少高壓電纜和移動(dòng)，按照安裝拆除工作量全面提高供電設(shè)備的使用工作效果[1]。

在實(shí)際工作面供電工作當(dāng)中，運(yùn)輸系統(tǒng)具有負(fù)荷分散、綜采工作面設(shè)備負(fù)荷集中等特性，如果巷道內(nèi)部所有設(shè)備全部啟動(dòng)，會(huì)造成電網(wǎng)的電壓波動(dòng)較大，設(shè)備的啟動(dòng)和工作面的正常，供電工作之間會(huì)存在較大的矛盾問(wèn)題，會(huì)直接影響到整個(gè)掘進(jìn)工作面的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。在掘進(jìn)工作面生產(chǎn)工作過(guò)程中，電機(jī)是否可以直接啟動(dòng)，主要取決于電網(wǎng)的電容量大小，所使用的電動(dòng)機(jī)通過(guò)變壓器供電條件下，不經(jīng)常啟動(dòng)的電機(jī)在容量上通常不會(huì)超過(guò)變壓器總?cè)萘康?0%，經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量最多不能超過(guò)總?cè)萘康?0%[2]。

2 綜掘工作面長(zhǎng)距離供電問(wèn)題的優(yōu)化策略

在工作面設(shè)計(jì)安裝工作過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工作情況對(duì)工作面設(shè)備運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備及設(shè)備工作性能等問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮和分析，具體如下：

第一，對(duì)于掘進(jìn)工作面功率相對(duì)較小的設(shè)備而言，對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響相對(duì)較低，因此可以通過(guò)直接啟動(dòng)的方法。如果掘進(jìn)工作面全部輸送機(jī)功率超過(guò)2×200 kW，則可以通過(guò)使用延時(shí)直接啟動(dòng)方法來(lái)進(jìn)行操作。直接啟動(dòng)也稱之為全壓?jiǎn)?dòng)，屬于一種相對(duì)較簡(jiǎn)單的啟動(dòng)工作方式。在正式啟動(dòng)工作過(guò)程中不需要使用特殊的供電裝置，只需要使用普通的磁力啟動(dòng)器設(shè)備，將電源直接供應(yīng)在電機(jī)的定子繞組當(dāng)中，可以起到直接啟動(dòng)電機(jī)的作用和效果，在整個(gè)操作流程上相對(duì)較簡(jiǎn)單，在煤礦生產(chǎn)工作中大部分異步電機(jī)通常會(huì)采用這種方式進(jìn)行供電[3]。

第二，對(duì)于功率較大同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)空載啟動(dòng)，且對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)距要求相對(duì)較低的電機(jī)，則可以采取降壓?jiǎn)?dòng)工作方式。例如，運(yùn)輸系統(tǒng)中的帶式輸送機(jī)設(shè)備，因?yàn)榈V用異步電機(jī)不能使用在轉(zhuǎn)子電路當(dāng)中，通過(guò)向電路內(nèi)部加入電阻的方法，可以進(jìn)一步改善電機(jī)的啟動(dòng)性能，只能靠降低外部施加電壓的方式來(lái)控制供電電流大小。盡管這種方式的啟動(dòng)性能相對(duì)較差，但是在煤礦井下工作面生產(chǎn)工作中有要求調(diào)速條件相對(duì)較低，因此整體的使用效果較明顯。在實(shí)際使用過(guò)程中，為了有效防止電機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和影響，可以通過(guò)使用軟啟動(dòng)器設(shè)備來(lái)控制該設(shè)備，通過(guò)微處理器控制技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)專啟動(dòng)處理，通過(guò)使用電壓調(diào)速工作原理，在啟動(dòng)工作過(guò)程中電源電壓有600～1 140 V 實(shí)現(xiàn)二級(jí)調(diào)速，不但可以減少大功率電機(jī)對(duì)電網(wǎng)供電所產(chǎn)生的沖擊和影響，同時(shí)可以進(jìn)一步提高帶式輸送機(jī)設(shè)備的工作安全性和穩(wěn)定性[4]。

第三，對(duì)于工作功率相對(duì)較大、負(fù)荷量比較集中，同時(shí)必須重載的電機(jī)設(shè)備而言，通常情況下使用的是提高電壓等級(jí)和電極調(diào)速工作方法，有效降低對(duì)供電電網(wǎng)所產(chǎn)生的沖擊和影響。在工作面中后部刮板運(yùn)輸機(jī)設(shè)備電機(jī)最大功率達(dá)到2×400 kW，在啟動(dòng)工作過(guò)程中要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)距更大。因此，通過(guò)使用雙繞組電機(jī)高壓供電技術(shù)，充分保證供電機(jī)組供電工作的穩(wěn)定性。供電系統(tǒng)完善方案對(duì)于供電系統(tǒng)而言，工作面的年生產(chǎn)能力可以達(dá)到200 萬(wàn)t 以上水平，根據(jù)供應(yīng)鏈的設(shè)備特性，使用三路主電源來(lái)進(jìn)行供電工作，同時(shí)每一路電源均來(lái)自于地面變電站的一臺(tái)主變?cè)O(shè)備，即通過(guò)三臺(tái)主變?cè)O(shè)備分別帶三段設(shè)備，通常情況下在主變?cè)O(shè)備分裂運(yùn)行工作過(guò)程中，因?yàn)槭褂米兗?jí)調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)電流進(jìn)行有效控制，通過(guò)一路供電電源在啟動(dòng)之后，對(duì)綜采工作面當(dāng)中的大型基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行供電工作，有效保證設(shè)備供電工作的充足性和穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三段供電系統(tǒng)之間相互聯(lián)絡(luò)，有效保證供電工作的整體穩(wěn)定性[5]。

3 供電開(kāi)關(guān)超負(fù)荷運(yùn)行與改進(jìn)方法

根據(jù)煤礦開(kāi)采工作的相關(guān)安全規(guī)程要求，掘進(jìn)工作面作業(yè)施工區(qū)域所有供電電源，必須要具備風(fēng)、電、瓦斯閉鎖控制工作，需要保證在達(dá)到停風(fēng)或者瓦斯超限狀態(tài)下的斷電工作要求。在煤礦掘進(jìn)工作過(guò)程中，所使用的供電開(kāi)關(guān)通常采用的是真空磁力啟動(dòng)器設(shè)備，負(fù)荷容量大小為225 kW。根據(jù)綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面的相關(guān)工作要求，其中主要包含掘進(jìn)機(jī)設(shè)備、膠帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)備、刮板輸送機(jī)設(shè)備等，在工作過(guò)程中的最大負(fù)荷量不能超過(guò)真空磁力啟動(dòng)器設(shè)備的最大負(fù)荷，否則會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)本體破壞、隔離開(kāi)關(guān)破壞，以及電源線機(jī)電設(shè)備故障等，對(duì)整個(gè)煤礦安全生產(chǎn)工作帶來(lái)較大的安全隱患。如果膠帶運(yùn)輸機(jī)控制電源和供電開(kāi)關(guān)之間進(jìn)行分割，可以有效達(dá)到減少供電開(kāi)關(guān)負(fù)荷工作效果，需要對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造處理，如圖1 所示。

圖1 分路供電原理

具體的改造方法如下：根據(jù)正常的供電工作方法，綜合機(jī)械化作業(yè)掘進(jìn)工作面所有的電氣設(shè)備，都需要通過(guò)使用供電開(kāi)關(guān)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)風(fēng)電瓦斯閉鎖功能，通過(guò)供電開(kāi)關(guān)的電流量通常較大，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生供電開(kāi)關(guān)損壞等問(wèn)題，直接影響到綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)工作穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面相關(guān)供電工作參數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算分析之后，對(duì)供電系統(tǒng)實(shí)施分路供電方法，即將大功率的膠帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)備、刮板輸送機(jī)設(shè)備展開(kāi)分路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)將膠帶輸送機(jī)的電源不通過(guò)供電開(kāi)關(guān)復(fù)合，而是直接接通在供電開(kāi)關(guān)的電源側(cè)，在兩臺(tái)開(kāi)關(guān)之間加上電氣閉鎖裝置，通過(guò)這種供電工的方法，可以全面實(shí)現(xiàn)風(fēng)電瓦斯的閉鎖，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)將大功率的電氣設(shè)備進(jìn)行分開(kāi)供電，可以最大限度上降低供電開(kāi)關(guān)的負(fù)荷工作壓力，同時(shí)減少設(shè)備產(chǎn)生的故障概率，有效保證整個(gè)供電系統(tǒng)滿足整個(gè)綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作要求和標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著煤礦掘進(jìn)工作的進(jìn)一步推進(jìn)，隨著掘進(jìn)工作的進(jìn)一步推進(jìn)，掘進(jìn)工作面當(dāng)中的供電功率大小也出現(xiàn)明顯的下降，外加上線路末端大功率掘進(jìn)機(jī)設(shè)備在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成較大的沖擊和影響，在供電電纜特定的工作條件下，通常供電距離無(wú)法達(dá)到基礎(chǔ)的理論設(shè)計(jì)距離和要求，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)供電工作標(biāo)準(zhǔn)，因此必須要對(duì)高壓供電工作進(jìn)行全面優(yōu)化和完善，進(jìn)一步降低無(wú)功功率的損耗量，避免出現(xiàn)大量的電力資源浪費(fèi)問(wèn)題。